Файл: Левин, А. М. Очистка сточных вод огнеупорных заводов.pdf

увеличением диаметра сливного отверстия (при обога­ щении мелкого угля — снижается). Глубину погружения сливного патрубка в гидроциклон рекомендуется огра­ ничить нижним краем цилиндрической его части [25].

Угол конусности Пантофличек [32] рекомендует при­ нимать в пределах 10—15° и указывает, что с уменьше­ нием угла конусности увеличивается производительность гидроциклона. И. И. Модер и Д. А. Дальстром [27] счи­ тают .оптимальным угол конусности 15°. Р. Н. Шестов [24] рекомендует для обогащения легкой фазы принимать угол конуса 10°. А. И. Поваров [25] считает, что для раз­ жиженных пульп при обработке легких по удельному ве­ су материалов и для получения тонких сливов следует применять гидроциклоны с малым углом конусности —-

до 5°.

Схема движения жидкости в гидроциклоне показана на рис. 21. Внешний поток направлен к вершине конуса, а внутренний — в противоположную сторону. Небольшая часть жидкости при движении внешнего потока выходит через шламовое отверстие, а часть жидкости отделяется и, двигаясь в радиальном направлении, вливается во внутренний поток. У вершины конуса основное количест­ во жидкости изменяет направление и, образуя внутрен­ ний восходящий поток, удаляется через сливной патру­ бок. Режим движения жидкости в гидроциклоне — турбу­ лентный. Считают, что передача вращения от периферии внутрь происходит диффузией и конвекцией под действи­ ем вращающего момента сил, вязкости и перемещения завихренной жидкости [33].

В гидроциклоне, кроме двух основных вращающихся потоков жидкости, образуется третий воздушный по­ ток— воздушный столб. Потоки жидкости направлены по логарифмической спирали. Внешний поток ограничи­ вается стенкой гидроциклона и поверхностью внутренне­ го потока. Внутренний поток ограничивается с внутрен­ ней стороны воздушным столбом. Описанная схема дви­ жения потоков дает весьма упрощенное представление о реальном движении жидкости в гидроциклоне. В действи­ тельности гидродинамические условия в гидроциклоне значительно сложнее, так как наряду с круговыми потока­ ми возникают радиальные и циркуляционные токи (рис. 21, б). Многие исследователи изучали распределение скоростей в гидроциклоне. Скорость движения жидкости в любой точке гидроциклона можно разложить на следую-

76

щпе три составляющие: v t — тангенциальную скорость, направленную перпендикулярно радиусу вращения в дан­ ной точке на горизонтальной плоскости; v r — радиальную скорость, направленную по радиусу гидроциклона внутрь

Верхний продукт

Шиннии продукт

Рис. 21. Схема потоков жидкости в гидроциклоне (fl) и характер осевого и радиального течений в гидроциклоне (б):

его; v v — осевую или вертикальную скорость, направлен­ ную под прямым углом к vt и v r, вдоль оси гидроциклона.

В каждой точке гидроциклона в плоскости, перпенди­ кулярной его оси, жидкость будет иметь скорость движе­ ния с, состоящую из тангенциальной и радиальной ско­ ростей; Дриссен [34] считает, что отношение тангенци­ альной и радиальной скоростей жидкости в любой точке гидроциклона является величиной постоянной, т. е. tga=const. Это означает, что Лоток жидкости движется в гидроциклоне по логарифмической спирали, полюс ко-

77

,Торой расположен на оси гидроциклона. Согласно закону сохранения углового момента тангенциальная скорость

увеличивается с уменьшением радиуса вращения. Произ­ ведение тангенциальной скорости на радиус вращения имеет тенденцию сохранять постоянное значение v tr =

— const. Вследствие трения потока о стенку аппарата и внутреннего трения, обусловленного вязкостью и турбу­ лентностью, получаются некоторые отклонения от ука­ занной выше зависимости.

Для лучшей очистки сточной воды необходимо обес­ печить высокие тангенциальные скорости. Для этого внутренняя поверхность гидроциклона должна быть воз­ можно более гладкой, чтобы уменьшить трение и тур­ булентность потоков.

При возрастании значений критерия Рейнольдса в хорошо сконструированных гидроциклонах профиль тан­ генциальной скорости соответствует постоянству величи­ ны и</г. Радиальная скорость практически отсутствует в центральной части столба жидкости, вращающейся под сливным патрубком, и поэтому здесь нет радиального пе­ реноса углового момента. В этой части гидроциклона оп­ ределяющими являются потери на трение, что и обуслов­ ливает соответствие профиля тангенциальной скорости постоянству величины Vtlr. Гидродинамика вихрей вооб­ ще, а в гидроциклоне в особенности является сложной и недостаточно изученной. В гидроциклоне происходит не­ прерывное движение жидкости, следовательно, должно быть справедливо уравнение неразрывности жидкой среды.

Для регулирования процесса разделения в гидроцик­ лоне необходимо знать соотношения тангенциальной и радиальной скоростей движения, так как процесс проис­ ходит в основном под действием центробежной силы и си­ лы взаимодействия частицы с радиальным потоком жид­ кости, величины которых определяются этими составляю­ щими скоростями. Наиболее полное экспериментальное исследование по измерению скоростей движения жидко­ сти в гидроциклоне было проведено Келсаллом [28], изу­ чавшим движение тонких алюминиевых стружек в вод­ ной среде при незначительной концентрации их на про­ зрачной модели гидроциклона диаметром 76 мм. Для наблюдения за движением частиц он использовал опти­ ческий метод (при помощи стробоскопа). Опыты показа­ ли, что скорость движения частиц близка к скорости дви­

. 78

жения жидкости (расхождение между ними не превыша­ ет 5%).

Прямыми замерами Келсаллу удалось построить поле тангенциальных и вертикальных скоростей жидкости в середине конической части гидроциклона. Радиальные составляющие скорости он вычислял по уравнению не­ разрывности с использованием величины тангенциальных и вертикальных скоростей, полученных эксперименталь­ ным путем.

На основании проведенных экспериментальных иссле­ дований Келсалл пришел к следующим выводам.

1. В сечениях ниже кромки диафрагмы между танген­ циальной скоростью и радиусом вращения существует за­ висимость щгп = const, причем показатель степени а является величиной переменной, зависящей от радиуса вращения. Наибольшее значение /г= 0,52 получено у стенки гидроциклона, на радиусе воздушного столба п = = 0,3; в области выше диафрагмы эта зависимость не сохраняется, хотя характер изменения тангенциальной скорости почти не отличается от характера изменения в нижележащей зоне. Тангенциальная скорость в гидро­ циклоне увеличивается при уменьшении радиуса враще­ ния жидкости, достигая максимального значения вблизи внутреннего восходящего потока между диафрагмой и воздушным столбом. Затем она резко уменьшается и ста­ новится равной нулю по оси гидроциклона.

2. Значения радиальной скорости изменяются по вы­ соте гидроциклона. В сечениях выше кромки диафрагмы радиальная скорость, направленная внутрь, имеет наи­ большую величину вблизи стенки корпуса гидроциклона, уменьшается по мере перемещения жидкости в направ­ лении к оси гидроциклона и становится равной нулю вблизи диафрагмы. На горизонтальных уровнях ниже кромки диафрагмы радиальгая скорость падает с умень­ шением радиуса и становится равной нулю на границе воздушного столба.

3. Вертикальная составляющая скорости жидкости v v изменяется по величине и направлению в зависимости от радиуса вращения. Вблизи стенки гидроциклона вер­ тикальная скорость направлена вниз и имеет наибольшее значение. По мере уменьшения радиуса вращения она уменьшается, становится равной нулю, а затем, изменив направление на восходящее, достигает " максимального значения на границе с воздушным столбом. Нулевая по­

79

верхность, проходящая через точки с нулевой вертикаль­ ной скоростью жидкости, отделяет часть потока, движу­ щегося вниз, от части потока, движущегося вверх.

Келсалл экспериментально определил в указанном выше гидроциклоне для частиц кварцевой муки различ­ ных размеров поверхности, которые соответствуют равно­ весию частиц данного размера.

Дриссен [34 ] сделал попытку применить общие урав­ нения гидромеханики для случая движения жидкости в гидроциклоне. В действительности условия движения жид­ кости в гидроциклоне сложнее, чем принятые Дриссеном. Существование аксиального потока, а также изменение скоростей движения в зависимости от концентрации в них твердой фазы в отдельных участках гидроциклона могут сильно изменить вид уравнений.

Представляет интерес применение уравнений движе­ ния неныотоновских жидкостей для случая движения жидкости в гидроциклоне. Эти уравнения выведены Н. В. Розе [35, с. 46—54]. Большая сложность уравнений Н. В. Розе не позволяет использовать их на практике.

Гидроциклонные установки по сравнению с отстойни­ ками имеют ряд преимуществ: малые габариты, простую конструкцию, высокую производительность, небольшие затраты на изготовление и монтаж, простота обслужива­ ния. Однако для осветления сточных вод заводов огне­ упорной промышленности гидроциклоны еще не применя­ ют. Объясняется это в значительной мере недостаточ­ ностью теоретических и экспериментальных данных по использованию гидроциклонов.

В литературе имеется большое количество статей, посвященных работе гидроциклонов [23—25, 27, 33, 36— 46 и др.]. Авторы их предлагают различные формулы для расчета производительности гидроциклона и граничной крупности частиц. Проверка применимости некоторых формул для расчета производительности дала различные результаты. Данные расчета для гидроциклона диамет­ ром 25 мм со сливным патрубком диаметром 9 мм и пи­

можно отметить и в отношении определения граничной крупности улавливаемых частиц. Поэтому для техноло­ гического расчета очистки производственных сточных вод

80

огнеупорных заводов потребовались экспериментальные исследования, чтобы определить взаимосвязь основных факторов, влияющих на производительность и процесс очистки в напорных гидроциклонах, а также уточнить не­ которые положения теории, в том числе крупности гра­ ничных частиц (зерен).

Исследования проводили на лабораторных установ­ ках Всесоюзного научно-исследовательского института

Рис. 22. Кривые производительности гидроциклона:

гидромеханизации, санитарно-технических и специальных работ (ВНИИГС) [47], Ленинградского ордена Тру­ дового Красного Знамени инженерно-строительного ин­ ститута (ЛИСИ) и опытно-промышленных установках Запорожского и Семилукского огнеупорных заводов [48, 49 и др.]. Схема опытно-промышленной установки Запо­ рожского и Семилукского огнеупорных заводов показана на рис. 23.

Для приготовления суспензии на лабораторных уста­ новках чистую воду загрязняли последовательно пылями глины, шамота, магнезита и смеси шамота с глиной в со­ отношениях 1:4, 1:1, 4:1. На опытно-промышленных уста­ новках Запорожского и Семилукского огнеупорных заводов, кроме производственных сточных вод, использо­ вали искусственно приготовленные суспензии с различ­ ными концентрациями взвешенных веществ от 5 до 35; 50 и 300 г/л. Концентрация взвешенных веществ в сточ­ ных водах Запорожского и Семилукского огнеупорных заводов колебалась в пределах от 5 до 32 г/л. Экспери­

менты проводили при избыточном напоре от 5 до 20 м вод. ст.

Результаты исследований показали, что на процесс очистки сточных вод и производительность гидроцикло­ нов влияют технологические и конструктивные факторы.

Рис. 23. Схема опытно-промышленной установки напорных гид­ роциклонов:

К первым относятся: содержание взвешенных веществ в сточной воде, состав взвешенных веществ, крупность взвеси, равномерность подачи сточных вод в гидроцик­ лон, напор на входе в гидроциклон, производительность, вязкость суспензии и удельный вес взвешенных веществ сточной воды. Ко вторым относятся: диаметр гидроцик­ лона, форма входного отверстия и размер питающего пат­ рубка, диаметр сливного патрубка, угол конусности, диа­ метр песковой насадки.

Содержание взвешенных веществ (концентрация) оказывает влияние на эффект очистки сточной воды в на­ порных гидроциклонах. Зависимость эффекта очистки сточной воды в напорном гидроциклоне диаметром 25 мм с различными по диаметру песковыми насадками от исходной концентрации взвеси (шамота) показана на рис. 24. Как видно из рис. 24, с уменьшением исходной концентрации взвеси эффект очистки падает. Состав взвешенных веществ оказывает влияние на результаты очистки (рис. 25). С увеличением содержания глины в

82